CN107388958A - 基于结构光的微纳结构二维超分辨检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光的微纳结构二维超分辨检测方法，包括：当投影装置中无光栅时，摄像装置获取一帧灰度图，在其他条件不变的情况下，在投影装置中加入光栅，摄像装置获取一帧条纹变形的结构光场图。分别对两幅图进行Fourier变换，将得到的两频谱式归一化相减后得到基频分量，将分离得到的两部分基频分量分别频移至正确位置，再将基频与零频分量以一定权重进行频谱叠加，从而得到完整的频谱信息，最终恢复得到二维超分辨图像检测结果。本发明该方法在提高了分辨力的同时，在测量中采用一帧灰度图来消除频谱混叠，实现零频分量与基频分量的分离，提高了测量效率，采集图像时不需要相移装置，简化了测量系统。

Description

基于结构光的微纳结构二维超分辨检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测的技术领域，特别涉及一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法。

背景技术

传统光学理论已证明所有经典光学系统都是衍射受限系统，即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和数值孔径决定的。虽然光学测量手段的纵向分辨率已达纳米甚至亚纳米量级，但其受限于衍射效应，横向分辨率难以突破200nm，限制了其在高分辨微纳检测中的应用。提高横向分辨力，实现超分辨检测，已成为微纳结构光学检测方法急需解决的问题。

现有的超分辨检测方法主要思想是将无法被显微镜接收的高频信息调制到低频，通过频谱分离，频谱移动，频谱叠加三个步骤得到了完整的频谱信息。在FTP测量中，常用π相移法提取基频分量，使零频分量与基频分量分离。此时，测量系统包含相移装置，增加了系统复杂性，而且为此需要采集多张图片，降低了测量效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法，可以简化实验装置，提高测量效率，提高横向分辨力，实现超分辨检测。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法，当投影装置中不加光栅时，CCD获取一帧灰度图，保证其他条件不变的情况下，在投影装置中加入光栅，CCD获取一帧变形条纹的结构光场图。分别对两幅图进行Fourier变换，将得到的两频谱式归一化相减后得到基频分量，将分离得到的两部分基频分量分别频移至正确位置，再将基频与零频分量以一定权重进行频谱叠加，从而得到完整的频谱信息，最终恢复得到二维超分辨图像检测结果。

更进一步的，本方法利用FTP测量系统，系统包括投影装置，摄像装置，光栅和参考面。利用了结构光条纹受待测物体高度调制发生形变的特性，用DMD产生光栅条纹，CCD获取图像，得到两幅光场图。

更进一步的，对CCD采集到的两幅图的光场公式进行二维Fourier变换后可以看出，两频谱式的零频分量只相差一个常数的比例因子，对两式归一化后相减，可得到基频分量，使基频分量与零频分量分离。

更进一步的，基频与零频分离后，还需对基频再进行分离，再将对称的两部分基频分别移动，并与零频分量以一定权重叠加。

更进一步的，传统显微成像系统最终接收到的图像受显微镜数值孔径限制，在频域丢失高频信息。本方法利用结构光将本不在接收频率范围内的高频信息调制到低频的思想，通过频谱分离，频谱移动，频谱叠加三个步骤得到了完整的频谱信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过将不在接收频率范围内的高频信息调制到低频，得到了完整的频谱，提高了横向分辨力，实现了超分辨检测

(2)本发明不需要相移装置，且只需采集两幅光场图像，提高了测量效率，简化了测量系统。

附图说明

图1为本发明一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法的流程图；

图2为频谱移动、叠加原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法流程图如图1所示，具体步骤如下：

当FTP系统的投影装置中无光栅时，CCD获取的图像用函数表示为：

g₀(x,y)＝A₀(x,y)r(x,y) (1)

A₀(x,y)是投影光场的分布，r(x,y)是物面非均匀反射率。在投影装置中加上光栅，保证其他条件不变的情况下，CCD获取的变形结构光场表示为：

g(x,y)＝A₀(x,y)r(x,y)B₀(1+cos(2πf₀x)) (2)

1+cos(2πf₀x)是光栅的透过率函数，f₀是投影光栅的基频，常数B₀表示光栅模板背景透过率引起的投影光场强度的衰减。对式(1)、(2)进行Fourier变换可得：

G₀(f,y)＝R(f,y) (3)

G(f,y)＝B₀R(f,y)+B₀Q(f-f₀,y)+B₀Q^*(f+f₀,y) (4)

R(f,y)和Q(f,y)分别是A₀(x,y)r(x,y)和的Fourier频谱。

可见两频谱的零频分量之间仅相差一个常数的比例因子，对上面两式进行归一化后可知，两频谱零频分量相同，两个归一化频谱之差为：

G_d(f,y)＝Q(f-f₀,y)+Q^*(f+f₀,y) (5)

将基频的两部分分别移动到正确位置后，与零频分量叠加，从而得到完整的频谱信息。频谱移动、叠加过程如图2所示。

Claims (5)

1.一种基于结构光的微纳结构二维超分辨检测方法，其特征是：当投影装置中无光栅时，摄像装置获取一帧灰度图，在其他条件不变的情况下，在投影装置中加入光栅，摄像装置获取一帧条纹变形的结构光场图；分别对两幅图进行Fourier变换，将得到的两频谱式归一化相减后得到基频分量，将分离得到的两部分基频分量分别频移至正确位置，再将基频与零频分量以一定权重进行频谱叠加，从而得到完整的频谱信息，最终恢复得到二维超分辨图像检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法，其特征是：利用FTP测量系统，系统包括投影装置，摄像装置，光栅和参考面，通过DMD产生光栅条纹，CCD获取图像，利用结构光条纹受待测物体高度调制发生形变的特性，得到两幅光场图。

3.根据权利要求1所述的一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法，其特征是：对CCD采集到的两幅图的光场公式进行二维Fourier变换后可以看出，两频谱式的零频分量只相差一个常数的比例因子，对两式归一化后相减，可得到基频分量，从而使基频分量与零频分量分离。

4.根据权利要求1所述的一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法，其特征是：基频与零频分离后，在频谱移动前还需对基频的两部分再进行分离，之后将对称的两部分基频分别移动，最后与零频分量叠加。

5.根据权利要求1所述的一种基于结构光微纳结构二维超分辨检测方法，其特征是：传统显微成像系统最终接收到的图像受显微镜数值孔径限制，在频域丢失高频信息，本方法利用结构光将本不在接收频率范围内的高频信息调制到低频，通过频谱分离，频谱移动，频谱叠加三个步骤得到了完整的频谱信息。